電磁干渉（EMI）は電磁干渉の一種で、エネルギーが放射/伝導によって電子機器から別の電子機器に伝わり、信号品質を損ない、故障を引き起こします。私たちの生活のほぼあらゆる場所に存在しています。例えば、携帯電話をラジオのそばに置くと、ブーンという音が聞こえますが、これが電磁干渉です。この問題は、設計する電子製品がEMIの基準を満たしていることを確認する必要があるPCB設計者を常に悩ませてきました。 EMC（電磁両立性）実際には、電磁干渉を完全に回避することは困難ですが、設計プロセスにおいてEMIを可能な限り低減することは可能です。この記事では、PCBにおける電磁干渉を低減するための重要な設計ルールをいくつかご紹介します。早速見ていきましょう。
PCB における電磁干渉の原因は何ですか?
PCB における電磁干渉の発生に寄与する要因はさまざまです。
- 状態遷移率が高いため、マイクロプロセッサやメモリデバイスなどの高周波デジタル回路が一般的な原因である可能性があります。
- スイッチング電源と高速スイッチングトランジスタは、急速な電流変動により EMI 放射の主な原因となります。
- 信号トレース、特に高周波信号を伝送する信号トレースが不適切に設計または配線されている場合、それらはアンテナとして機能し、EMI の発生源になります。
- グランドレベルのループや不十分な接地も、干渉電流によるEMIの発生源となります。電源プレーンがシームレスに接続されていない場合、インピーダンスの不連続が生じ、信号反射やEMIの発生につながります。
- これらの問題は、コンポーネントの不適切な配置や不十分なシールドによって悪化する可能性があり、EMI が PCB 設計の大きな課題の 1 つとなっているのはそのためです。
EMI を削減することがなぜ重要なのか?
まず、FCC規制やCEマーキングといった、電子機器が販売される市場で義務付けられている規制措置に準拠しています。ガイドラインを遵守していない場合、再設計などの費用増加、製品の市場投入の遅れ、さらには法的問題につながる可能性があります。
第二に、EMIの低減は、使用中の電子機器の性能と品質を向上させます。高レベルのEMIは信号品質に望ましくないレベルまで影響を与え、データの破損、システム障害、あるいは機器の完全な故障につながる可能性があります。医療機器や車載電子機器などの繊細な用途では、このような問題は致命的となる可能性があります。
また、EMI が減少すると、携帯電話がラジオに干渉するなど、各デバイスの動作が近くにある他のデバイスの影響を受けなくなるため、ユーザー エクスペリエンスが向上します。
最後に、優れた EMI 設計により、電力効率と放熱性も向上し、ポータブル製品のバッテリー寿命が長くなり、製品寿命も長くなります。
電磁干渉低減の主要設計原則
PCBにおける一般的なEMC問題は、基本的に基板上のトレース、回路、ビア、その他の関連機能からの干渉に起因する設計上の欠陥に関連しています。このセクションでは、電磁干渉の問題を軽減するためのPCB設計の基本的な原則とベストプラクティスを、様々な観点から紹介します。
グランドプレーン
- グランド面積の最大化：グランド面積が広いほど、信号は分散しやすくなり、クロストークやノイズを低減できます。そのため、PCB内のグランド面積を可能な限り大きくする必要があります。グランド層が小さすぎる場合は、多層PCBを作成することができます。
- 分割されたグランド プレーンは慎重に使用してください。カット プレーンの位置が適切でないと、スロット アンテナが得られ、EMI 放射が強化される可能性があるため、分割は選択的に行う必要があります。
- 別々のグランドプレーン間の接続を最小限に抑える：理想的には、分割されたグランドプレーンは1か所で接続します。複数のグランド接続点があるとループが発生し、PCBからの放射が増加するという問題が生じる可能性があります。
- バイパス コンデンサの配置の最適化: EMI を低減するために、戻り電流パスとループ サイズを最小限に抑えながら、バイパス コンデンサまたはデカップリング コンデンサを適切な方法でグランド プレーンにはんだ付けします。
トレースレイアウト
- 曲げ設計：90度の鋭角曲げを、丸みを帯びた曲げまたは45度の曲げに置き換えます。これにより、インピーダンスが一定に保たれ、信号の反射が減少します。
- 信号分離：高速信号（例えばクロックライン）を低速信号からフィルタリングすることが望ましい場合があります。干渉レベルを低減するために、アナログ信号とデジタル信号を分離することが推奨されます。
- リターン パスの最適化: ループ領域を最小限に抑え、EMI を最小限に抑えるために、短く直接的なリターン パスを設計します。
- 差動ペアのルーティング: 差動トラックを近づけてルーティングすると、結合が改善され、ノイズがコモンモードに移動されるため、差動入力の問題が少なくなります。
- ビアの使用法: PCB 方法ビアは信号振幅の増大を招き、インダクタンスと容量を増加させるため、ビアは慎重に設置する必要があります。差動ペアの場合は、ビアの使用を可能な限り最小限に抑える必要があります。必要な場合にのみ、共通の楕円形アンチパッドを使用して寄生容量を低減してください。
コンポーネントの配置
- アナログとデジタルを分離する: 同じ設計にアナログ回路とデジタル回路の両方がある場合は、アナログ回路をデジタル回路からシールドし、できるだけ多くの層を使用して別々のグランドを使用します。
- アナログ回路を高速信号から保護：アナログ回路をグラウンド信号でシールドすることで、保護対策を講じます。多層PCBでは、アナログ配線と高速信号の間にグラウンドプレーンを配置します。
- 高速コンポーネントの管理：EMIを多く発生する小型部品を迅速に削減し、分離します。高速信号の結合を最小限に抑え、短くしてグランドプレーンの近くに配置します。
EMIシールド
EMIを完全に除去できない場合は、 PCB 遮蔽ファラデーケージなどの外部シールドによって回路基板全体がEMI発生源から隔離され、内部シールドによって基板内の特定の敏感な部品が隔離されます。導電性コーティングや編組カバーを用いたケーブルシールドは、高周波信号を封じ込め、EMIの伝播を低減するのに役立ちます。
最終的な考え
結論として、電磁干渉の低減はPCB設計において見過ごすことのできない重要な要素です。EMIの原因と応用設計技術を理解することで、エンジニアはPCB上にEMIリスクから安全に動作する高機能回路を作成できます。現代の電子機器はますます高度化し、私たちの生活のあらゆる場所に浸透しているため、EMIの問題は将来ますます深刻化していくことも意味します。EMI低減の問題は複雑になる可能性がありますが、信頼できるPCB設計の専門家と協力することで、状況を改善できます。そこでMOKOが登場します。高性能PCB設計のノウハウを活かし、EMI低減に関連する問題の解決と電磁両立性の実現をお手伝いいたします。 MOKOテクノロジーにお問い合わせください 今すぐ！
